• No results found

Manipulation of drops with electrowetting: from morphological transitions to microfluidics

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Manipulation of drops with electrowetting: from morphological transitions to microfluidics"

Copied!
176
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Manipulation of drops with electrowetting:

From morphological transitions to microfluidics

(2)
(3)

 

 

Manipulation of drops with electrowetting: 

From morphological transitions to microfluidics 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riëlle de Ruiter 

 

   

(4)

Prof. dr. ir. J.W.M. Hilgenkamp    University of Twente, chairman    Prof. dr. F. Mugele      University of Twente, promotor    Dr. M.H.G. Duits         University of Twente, assistant promotor  Prof. D. Quéré        ESPCI ParisTech  Prof. K.K. Varanasi      Massachusetts Institute of Technology  Prof. W.T.S. Huck       Radboud University Nijmegen  Dr. I.R. Collins        BP  Prof. dr. A. van den Berg      University of Twente  Prof. dr. R.G.H. Lammertink    University of Twente                        The research described in this thesis was performed at the Physics of Complex Fluids  group within the MESA+ Institute for Nanotechnology and the Department of Science and  Technology of the University of Twente. This work is part of the ExploRe research program  which is financially supported by BP plc.      Title:     Manipulation of drops with electrowetting:       From morphological transitions to microfluidics  Author:    Riëlle de Ruiter  ISBN:    978‐90‐365‐3639‐4  DOI:    10.3990/1.9789036536394  Copyright © 2014 by Riëlle de Ruiter, Enschede, the Netherlands.  All rights reserved. No part of this work may be reproduced by print, photocopy, or any  other means without prior permission in writing of the author.   Printed by Gildeprint Drukkerijen, Enschede.   

(5)

        MANIPULATION OF DROPS WITH ELECTROWETTING:  FROM MORPHOLOGICAL TRANSITIONS TO MICROFLUIDICS    PROEFSCHRIFT  ter verkrijging van  de graad doctor aan de Universiteit Twente,  op gezag van de rector magnificus,  prof. dr. H. Brinksma,  volgens besluit van het College voor Promoties  in het openbaar te verdedigen op  woensdag 26 maart 2014 om 14:15 uur  door    Riëlle de Ruiter    geboren op 5 april 1985  te Tiel     

(6)

Promotor:     Prof. dr. Frieder Mugele  Assistant promotor:   Dr. Michèl Duits   

(7)

Table of contents 

  Table of contents  Summary  vii  Samenvatting  ix  1 Introduction    1.1 Motivation: Enhanced Oil Recovery  2    1.2 Thesis outline  7  2 Scientific background  13    2.1 Basic principles of capillarity and wetting  14    2.2 Wetting of microscopically textured surfaces  20   2.3 Morphological transitions  23    2.4 Some examples of morphological transitions  28    2.5 Modifying wettability via electrowetting  33  3 Influence of cationic composition and pH on the formation of metal stearates at oil‐ water interfaces  41    3.1 Introduction  42    3.2 Materials and methods  44    3.3 Results  47    3.4 Discussion and interpretation  58    3.5 Conclusions and outlook  61  4 Use of electrowetting to measure dynamic interfacial tensions of a microdrop  69    4.1 Introduction  70    4.2 Materials and methods  71    4.3 Results and discussion  73    4.4 Conclusions  77 

(8)

5 Influence of contact angle hysteresis on the morphology of drops confined between     a sphere and a plane  81    5.1 Introduction  82    5.2 Materials and methods  84    5.3 Results  86    5.4 Discussion  90    5.5 Conclusion  95  6 Buoyant droplets on functional fibers  103    6.1 Introduction  104    6.2 Materials and methods  106    6.3 Results  109    6.4 Discussion  114  7 Electrostatic potential wells for on‐demand drop manipulation in microchannels  121    7.1 Introduction  122    7.2 Materials and methods  124    7.3 Principles of on‐demand trapping and release  126    7.4 Applications  133    7.5 Conclusions  137  8 Concluding remarks  147    8.1 Morphological transitions  148    8.2 Micropatterned surfaces  150    8.3 Role of the oil‐water interface  150  Acknowledgements  153  List of publications  155  About the author  159 

(9)

Summary 

In spite of today’s growing efforts to exploit alternative sources of energy, fossil fuels are  still expected to serve an important part of the energy demand of society, at least for the  next  decades.  Recovery  of  the  oil  is  a  technologically  challenging  problem.  Crude  oil  is  typically  trapped  in  the  narrow  regions  between  the  grains  of  a  sedimentary  rock  at  a  depth  of  several  kilometers  underground.  During  recovery,  the  injected  water  and  the  released  oil  need  to  flow  through  interconnected  pores  with  sizes  that  vary  from  the  submicron to submillimeter range. Oil recovery can thus be considered as an applied two‐ phase flow microfluidics problem. With the current technology only about 50% of the oil  present in the pore space can be recovered. The other part remains in the reservoir due to  heterogeneity in the wettability and structure of the rock. In this thesis we address various  scientific  aspects  related  to  the  mobilization  and  subsequent  removal  of  small  liquid  volumes interacting with heterogeneous solid walls.  In Enhanced Oil Recovery, the low salinity water flooding method is thought to improve oil  recovery via a wettability alteration of the rock. However, the composition of the injection  water also influences the adsorption of amphiphilic species onto the oil‐water interface. In  Chapter 3 we study this interfacial adsorption and assembly for a model system  of decane  containing stearic acid, in contact with an aqueous phase. Deprotonation, adsorption and  molecular rearrangement precede the formation of solid metal stearate multilayers. Their   formation and final composition strongly depend on the pH and cationic composition of  the aqueous phase. Layer formation is facilitated by synergistic effects of simultaneously  present mono‐ and divalent cations. We find that Ca2+ is preferentially incorporated in the  final  layers.  The  formation  of  solid  layers  with  a  surface  viscoelasticity  –  which  is  more  pronounced  in  the  presence  of  divalent  ions  –  might  influence  the  release  of  drops  in  complex  natural  systems.  Further  study  of  these  systems  may  be  justified  by  more  concrete evidence that these layers play an important role under reservoir conditions, i.e.,  elevated temperatures and the presence of multiple interfacially active species. 

Oil  drops  in  the  rock  pore  space  are  in  contact  with  chemically  and  topographically  heterogeneous surfaces. As a consequence, a drop is situated in an energy landscape with  various  local  minimum  energy  configurations  separated  by  energy  barriers.  Variation  of  the  drop  volume  or  surface  wettability  will  change  this  landscape  and  may  cause  displacements  and/  or  morphology  changes  of  the  drop.  In  low  salinity  water  flooding,  desorption of organic compounds is supposed to change the wettability of the rock. In this 

(10)

thesis however, we use electrowetting as a method to tune the wettability of substrates  reversibly and on very short time scales, and investigate the morphological transitions in  two  different  model  systems.  In  Chapter  5  we  first  discuss  the  case  of  a  drop  confined  between  a  sphere  and  a  plane  as  a  generic  geometry  representing  a  pore  throat.  The  radial position of the drop with respect to the symmetry axis is studied for its dependence  on  the  contact  angle,  drop  volume,  and  sphere/  plane  separation  distance.  Analysis  of  numerically  calculated  energy  curves  shows  a  continuous  and  reversible  radially  in‐  and  outward  movement  upon  variations  in  the  contact  angle.  However,  due  to  the  small  driving forces, for non‐ideal surfaces with chemical or topographic heterogeneity, pinning  forces  can  drastically  affect  the  drop  behavior.  A  substantial  history‐dependence  in  the  shape  and  position  of  the  drop  can  then  occur,  and  the  outward  movement  can  even  become discontinuous. 

In  contrast,  transitions  of  a  drop  in  contact  with  a  cylindrical  substrate,  i.e.,  a  fiber,  are  always  discontinuous.  Depending  on  drop  volume  and  wettability,  the  drop  can  either  attain  a barrel  morphology  engulfing  the  fiber,  or  a clamshell  morphology  sitting  on the  side of the fiber. In Chapter 6 we specifically investigate the effect of an external driving  force,  in  this  case  buoyancy,  on  the  instability  lines.  The  introduction  of  gravitational  forces  shrinks  the  bistable  and  barrel  regimes  in  favor  of  the  clamshell  regime.  More  importantly, at large drop volumes a new stability limit related to (partial) detachment of  the  drop  from  the  fiber  is  found  for  the clamshell  morphology.  The typical  drop  size  for  detachment increases with the capillary length of the system. 

In oil recovery, the gravity forces on a drop are generally too small to be of importance.  However,  (abrupt)  changes  in  drop  shape  and  position  may  also  affect  the  drag  force  exerted by the surrounding fluid. In Chapter 7 we consider the balance between retaining  and driving forces on drops confined between the top and bottom walls of a microfluidic  channel.  Electrodes  are  incorporated  in  the  microchannel  wall  to  create  a  local  (electro)wetting  defect  with  tunable  strength.  A  simple  model  comparing  the  maximum  trapping force and the drag force provides excellent predictions about whether a drop is  released from a pinning site. 

In  addition,  the  tunable  electrical  traps  can  be  used  as  a  new  tool  in  continuous‐flow  microfluidics.  Combining  the  individual  drop  control  achieved  using  electrical  actuation  with  the  high  throughput  of  channel‐based  microfluidics  enables  several  drop  manipulations that are important for many lab‐on‐a‐chip applications, such as on‐demand  drop trapping and release, guiding, and high‐speed sorting. 

(11)

Samenvatting 

Ondanks  toenemende  inspanningen  om  alternatieve  energiebronnen  te  benutten,  is  het  de verwachting dat fossiele brandstoffen in ieder geval in de aankomende decennia nog  een  belangrijk  aandeel  zullen  leveren  aan  de  globale  energievoorziening.  Oliewinning  is  technologisch gezien nog altijd een uitdaging. Ruwe olie zit opgesloten in de nauwe poriën  van korrelig sedimentair gesteente op een diepte van enkele kilometers onder de grond.  Tijdens oliewinning stromen injectiewater en de losgemaakte olie door een netwerk van  poriën  met  groottes  die  variëren  van  het  submicrometer  tot  submillimeter  gebied.  Oliewinning kan dus beschouwd worden als een toegepast twee‐fase stromingsprobleem  op  microfluïdische  schaal.  Met  de  huidige  winningstechnieken  kan  maar  ongeveer  50%  van de totale hoeveelheid olie die aanwezig is in de porieruimte gewonnen worden. Het  andere  deel  blijft  achter  in  het  reservoir  ten  gevolge  van  heterogeniteit  in  de  bevochtigingseigenschappen  en  structuur  van  het  gesteente.  In  dit  proefschrift  behandelen  we  een  aantal  wetenschappelijke  aspecten  die  gerelateerd  zijn  aan  de  mobilisatie en verwijdering van kleine vloeistofvolumes die een interactie hebben met een  heterogene vaste wand. 

Tijdens  ‘Enhanced  Oil  Recovery’  wordt  het  injecteren  van  (zee)water  met  een  verlaagd  zoutgehalte  verondersteld  de  oliewinning  te  verhogen  door  veranderingen  in  de  bevochtigingseigenschappen  van  het  gesteente.  De  samenstelling  van  het  injectiewater  beïnvloedt echter ook de adsorptie van amfifiele moleculen aan het olie‐water grensvlak.  In  Hoofdstuk  3  bestuderen  we  deze  adsorptie  en  de  daaropvolgende  reorganisatie  van  moleculen  voor  een  modelsysteem  bestaande  uit  een  oplossing  van  stearinezuur  in  decaan,  in  contact  met  een  waterfase.  Deprotonatie,  adsorptie,  en  moleculaire  herschikkingen gaan vooraf aan de vorming van vaste multilagen van metaalstearaten. De  vorming en de uiteindelijke samenstelling hiervan zijn sterk afhankelijk van de zuurgraad  en  de  samenstelling  van  de  kationen  in  de  waterfase.  Laagvorming  wordt  versterk  door  synergetische  effecten  van  gelijktijdig  aanwezige  mono‐  en  divalente  kationen.  We  zien  dat  bij  voorkeur  Ca2+  in  de  uiteindelijke  laag  wordt  opgenomen.  De  vorming  van  vaste  lagen  met  een  oppervlakte‐visco‐elasticiteit  –  die  in  aanwezigheid  van  divalente  ionen  meer  uitgesproken  is  –  kan  het  loslaten  van  druppels  in  complexe  natuurlijke  systemen  beïnvloeden.  Een  vervolgstudie  is  gerechtvaardigd  indien  er  meer  concreet  bewijs  is  dat  deze lagen een belangrijke rol spelen onder de omstandigheden zoals die in oliereservoirs  heersen,  met  name  een  hogere  temperatuur  en  de  aanwezigheid  van  een  verscheidenheid aan oppervlakte‐actieve stoffen. 

(12)

Oliedruppels  in  de  porieruimte  van  gesteente  bevinden  zich  in  contact  met  chemisch  heterogene  en  onregelmatig  gevormde  oppervlakken.  Al  gevolg  hiervan  bevindt  een  druppel  zich  in  een  energielandschap  met  verschillende  lokale  minimum‐energie  configuraties  die  gescheiden  zijn  door  activeringsenergieën.  Een  variatie  in  het  druppelvolume  of  de  bevochtigingseigenschappen  van  het  gesteente  zal  dit  landschap  doen  veranderen  en  mogelijk  een  verplaatsing  en/  of  verandering  in  morfologie  van  de  druppel  veroorzaken.  Tijdens  het  injecteren  van  water  met  een  verlaagd  zoutgehalte  worden veranderingen in de bevochtigingseigenschappen vermoedelijk veroorzaakt door  desorptie  van  organische  componenten.  In  dit  proefschrift  gebruiken  we  echter  ‘electrowetting’  om  de  bevochtigingseigenschappen  van  substraten  omkeerbaar  en  op  zeer  korte  tijdschalen  aan  te  passen,  en  onderzoeken  we  morfologische  overgangen  in  twee  verschillende  modelsystemen.  In  Hoofdstuk  5  behandelen  we  eerst  het  geval  van  een druppel in de ruimte tussen een bol en een vlakke plaat; dit is een simpel model voor  een porieruimte tussen twee korrels. We onderzoeken op welke manier de radiale positie  van  de  druppel  ten  opzichte  van  de  symmetrieas  afhangt  van  de  contacthoek,  het  druppelvolume,  en  de  afstand  tussen  de  bol  en  de  plaat.  Een  analyse  van  de  numeriek  bepaalde energiecurven toont een continue en omkeerbare radiale beweging naar binnen  en  buiten  wanneer  veranderingen  worden  aangebracht  in  de  contacthoek.  Doordat  de  bijbehorende  drijvende  krachten  klein  zijn  kunnen  plakkrachten  het  druppelgedrag  op  niet‐ideale  oppervlakken  met  chemische  heterogeniteit  of  ruwheid  echter  drastisch  veranderen. Het is dan mogelijk dat de vorm en positie van de druppel sterk afhankelijk  worden van de voorgeschiedenis, en de beweging naar buiten kan zelfs een discontinuïteit  vertonen.  

Transities van een druppel in contact met een cylindrisch substraat, een vezel, zijn echter  altijd  discontinu.  De  druppel  vormt  afhankelijk  van  het  druppelvolume  en  de  bevochtigingseigenschappen ofwel een zogenaamde ‘barrel’ die de gehele vezel omringt,  ofwel een ‘clamshell’ die aan één kant van de vezel zit. In Hoofdstuk  6 onderzoeken we  specifiek het effect van een externe drijvende kracht, in dit geval de Archimedeskracht op  de  instabiliteitslijnen.  De  introductie  van gravitatiekrachten  verkleint  de bistabiliteits‐  en  barrelregimes  in  het  voordeel  van  het  clamshellregime.  Van  groter  belang  is  de  nieuwe  stabiliteitslimiet  die  wordt  gevonden  voor  de  clamshell:  voor  grote  druppelvolumes  laat  (een  gedeelte  van)  de  druppel  los  van  de  vezel.  De  kenmerkende  druppelgrootte  voor  loslating neemt toe met de capillaire lengte van het systeem. 

In oliewinning zijn de gravitatiekrachten op druppels over het algemeen te klein om van  belang  te  zijn.  Veranderingen  in  de  druppelvorm  en  ‐positie  kunnen  echter  ook  effect 

(13)

Samenvatting  xi   

   

hebben op de weerstandskracht die wordt uitgeoefend door de omringende vloeistof. In 

Hoofdstuk  7  beschouwen  we  de balans tussen  de  weerhoudende  en drijvende  krachten 

op druppels die tussen de boven‐ en onderwand van een microfluïdisch kanaal ingeklemd  zitten.  Electroden  worden  in  de  wand  van  het  kanaal  ingebed  om  een  lokaal  (electro)wetting  defect  met  instelbare  sterkte  te  maken.  Een  eenvoudig  model  dat  de  maximale  ‘plakkracht’  en  de  weerstandskracht  vergelijkt,  levert  voortreffelijke  voorspellingen of een druppel wordt losgemaakt van het defect op. 

De  instelbare  elektrostatische  energieputten  kunnen  daarnaast  gebruikt  worden  voor  controle  over  individuele  druppels  in  microfluïdische  systemen  met  een  continue  stroming.  Het  combineren  van  manipulatie  van  individuele  druppels  op  (elektrisch  gestuurd)  commando,  met  de  grote  verwerkingscapaciteit  van  microfluïdische  systemen  met  een  continue  stroming  maakt  verschillende  druppelmanoeuvres  mogelijk  die  belangrijk  zijn voor  vele  lab‐on‐a‐chip  toepassingen,  zoals  het  gecontroleerd  vasthouden  en loslaten van druppels, loodsen, en sorteren op hoge snelheid. 

(14)
(15)

Chapter 1

 

Introduction 

The  main  motivation  for  this  thesis  originates  from  scientific  challenges  in  Enhanced  Oil  Recovery  (EOR).  Developing  new  technologies  for  increasing  the  recovery  from  known  reservoirs  is  becoming  more  important  due  to  the  sustained  high  demand  for  oil,  combined with the difficulties in finding new reserves through exploration. An example of  a  novel  EOR  technique  is  low  salinity  water  flooding,  where  wettability  alteration  is  thought  to  be  responsible  for  the  mobilization  of  oil  interacting  with  clay‐covered  rock  surfaces.  While  the  success  of  this  approach  has  been  demonstrated  in  many  cases,  questions  remain  about  the  precise  mechanism  and  the  scope  of  the  method.  Scientific  studies are for example necessary to unravel the exact physical‐chemical mechanisms of  wettability alteration, to investigate the universality with respect to rock and clay types,  and  to  determine  the  local  and/  or  global  wettability  changes  associated  with  a  certain  increase in recovery. In this thesis we address various aspects related to the mobilization  and subsequent release of small liquid volumes interacting with solid walls. This chapter  starts with a concise overview of (enhanced) oil recovery, in particular low salinity water  flooding, and is concluded by an outline describing the aim of every chapter.

(16)

1.1 Motivation: Enhanced Oil Recovery 

1.1.1 Structure and properties of oil reservoirs 

Oil  and  gas  originate  from  geological  deposits  containing  large  amounts  of  organic  material, the so‐called source rocks (Figure 1). The material has been converted to oil in a  time  span  of  thousands  of  years  by  bacterial  action  and  extreme  pressures  and  temperatures.  Afterwards,  the  oil  migrated  via  the  pore  space  between  rock  or  sand  grains  and  ended  up  in  the  reservoir  rock.  This  reservoir  is  a  layer  of  porous  and  permeable  rock  (e.g.  sandstone  or  limestone)  that  contains  oil  as  a  single  hydraulically  connected system. Pore sizes can vary from the submicron to submillimeter scale, and the  porosity  of  the  rock,  which  is  the  fraction  that  is  not  occupied  by  mineral  grains,  is  approximately 20%. The larger fraction of the pore space is filled with oil, while a minor  fraction (one fifth) consists of connate water, which was trapped during rock deposition.  Reservoirs are typically a few km long and about 100 m thick, and are located at a depth  of  a  few  km.  At  these  depths,  elevated  pressures  (10‐100  MPa)  and  temperatures  (40‐   200 C) are encountered. The oil is trapped in the reservoir by a seal of impermeable rock.  There may be a gas cap above and a water‐bearing permeable rock, an aquifer, below the  oil.  1.1.2 Recovering oil reserves  Oil reserves are defined as “those quantities of petroleum anticipated to be commercially  recoverable by application of development projects to known accumulations from a given  date forward under defined conditions” (Petroleum Resources Management System). An  important criterion is thus that the oil should be recoverable with existing techniques. The  current total reserves are estimated at 200 billion cubic meters, which should be sufficient  for  50  years  of  oil  production  at  the  current  production  rates.  Increasing  this  time  span  results  in  more  time  to  fully  switch  to  other  energy  sources.  Besides  reducing  oil  consumption, the location of new oil fields through exploration is an option, however, the  opportunities  for  discovering  new  oil  fields  are  diminishing.  An  alternative  option  is  increasing the recovery factor of existing oil fields. 

Oil  is  recovered  in  various  stages.  During  primary  recovery,  5‐15%  of  the  oil  initially  present in the reservoir rock is produced by making use of natural mechanisms. Oil flows  to the drilled production wells due to the high pressure in the reservoir, and is replaced by  expanding gas or inflowing water. The flow of oil and water through the rock pore space  can thus be considered as an applied two‐phase flow microfluidics problem, which can be

(17)

1.1 Motivation: Enhanced Oil Recovery  3          Figure 1 Schematic of an oil reservoir (not to scale).  conveniently modeled by two‐phase flows in three‐dimensional bead packs or quasi two‐ dimensional  microfluidic  devices.  During  the  recovery  process  the  reservoir  pressure  decreases until it becomes too low for spontaneous oil production. The recovery factor is  increased to about 40% by secondary recovery, which involves the pumping of water (or  gas) in injection wells to maintain an elevated pressure in the reservoir. However, a large  fraction  of  the  oil  still  remains  in  the  reservoir  due  to  rock  heterogeneity,  both  in  wettability and structure. As the less viscous water finds a preferential flow path from the  injection  well  to  the  production  well,  significant  volumes  of  oil  can  be  completely  bypassed.  In  addition,  oil  remains  trapped  in  the  pore‐space  by  capillary  forces.  Oil  production via secondary recovery becomes uneconomical when large amounts of water  are  produced.  Tertiary  recovery  or  Enhanced  Oil  Recovery  (EOR)  is  a  generic  term  for  techniques that are used to further increase the amount of recovered oil. Some examples  include  reduction  of  the  oil‐water  interfacial  tension  (for  example  via  the  addition  of  surfactant to the water [1], the use of microbes to produce biosurfactant in situ [2], or gas  injection [3]), alteration of the wettability of minerals by injection of low salinity water [4],  ultrasonic  or  seismic  stimulation  [5,  6],  addition  of  polymers  to  block  preferential  flow  paths and increase the sweep area [7, 8], pulsed or cyclic water injection [9], and hydraulic  fracturing [10]. If new EOR techniques can be used to increase the current recovery factor  with  10‐20%,  this  would  result  in  an  additional  5‐10  years  of  oil  production  and  an  increased production rate.  seal r ock reser voir r ock source rock fault gas water oil oil migraon drilling plaorm

(18)

 

Figure 2 Cross‐section of a sandstone sample observed with SEM, showing quartz and feldspar  grains and two forms of clay in the pore space. Picture from K. Dalby [11]. 

1.1.3 Reservoir complexity 

As an example of the above‐mentioned reservoir rock heterogeneity, we will discuss the  complexity  of  a  sandstone  sample  (Figure  2).  Sandstone  is  composed  of  submillimeter,  rounded quartz and feldspar grains with irregular surfaces. The pore space in between the  sand grains contains smaller particles of quartz and feldspar, and often clay minerals such  as kaolinite, illite, montmorrillonite, muscovite, and chlorite. The clay is also present as a  very thin layer on the surface of the sand grains. Oil and water thus mainly interact with  clay minerals, which constitute the major part of the surface area of the pores.  Besides the inhomogeneity of the reservoir rock, also the pore fluids contribute to a large  extent  to  the  complexity  of  the  entire  system.  Petroleum  consists  of  linear  alkanes,  naphthenes  (cycloalkanes),  aromatic  hydrocarbons,  and  the  more  complex  asphaltenes.  Besides hydrocarbons, various other organic compounds containing nitrogen, oxygen and  sulfur are found. Polar compounds are mainly present amongst the larger molecules and  may adsorb to the clay minerals, thereby influencing the effective wettability of the pore  space.  Both  connate  water  and  injection  water  (often  seawater)  contain  various  salts,  where  NaCl,  MgCl2,  CaCl2,  and  KCl  are  the  most  abundant.  Important  properties  of  the 

aqueous phase are the overall salinity, the valency of the cations and the presence of ions  with specific effects.  300mm feldspar quartz clay clay

(19)

1.1 Motivation: Enhanced Oil Recovery  5   

   

 

Figure  3  Schematic  showing  the  effect  of  low  salinity  water  flooding.  Switching  from  a  high  salinity to a low salinity brine yields a 5‐20% increment in oil recovery. 

1.1.4 Low salinity water flooding 

It can take over 10 years for a new Enhanced Oil Recovery technique to develop from the  research  stage  to  deployment  in  the  field.  The  effect  on  residual  oil  saturation  is  successively determined in core floods (laboratory test on a formation sample), single well  chemical  tracer  tests  (field  test  near  a  single  wellbore),  and  interwell  trials  (field  test  in  between two wellbores). Early work on the effect of brine composition during core floods  in sandstone cores was performed by Morrow et al. [12‐15] in the 1990s. The injection of  low  salinity  brine  in  cores  containing  clays  and  crude  oil  was  shown  to  increases  the  recovery with up to 15‐40% as compared to high salinity brine. Recently, field trials were  performed, initially on clay‐bearing sandstone formations in near wellbore regions [4, 16,  17]. Single well tests performed on the Prudhoe Bay and Endicott fields on the North slope  of Alaska showed an increase in oil recovery of 8‐19% when injecting a low salinity (1500  ppm) instead of a high salinity (30000 ppm) brine [4]. Subsequently, interwell tests were  executed to unambiguously measure the effect of low salinity water flooding on the field  scale, resulting in an incremental recovery of  about 10% in the pilot tests (Figure 3) [18].  Various mechanisms have been proposed to explain the effect of low salinity flooding, for  example  the  mobilization  of  clay  fines  [15].  Upon  contact  with  low  salinity  brine,  clay  particles would detach from the pore surfaces and migrate to the oil‐water interface, thus  mobilizing  previously  retained  oil  drops.  However,  migration  of  fines  and  the  resulting  permeability  reduction  due  to  blocking  of  pore  constrictions  was  not  observed  in 

high salinity brine injecon (~ 30 000 ppm) low salinity brine injecon (~ 1 500 ppm)

Pore volumes of water injected (pV)

Oil r e c o v e ry (%) 30-50 % 5-20 % incremental recovery

(20)

numerous core floods showing the low salinity effect [19]. Another possible explanation is  a  rise  in  pH  due  to  carbonate  dissolution  and  cation  exchange.  The  pH  increase  would  reduce  the  oil‐water  interfacial  tension,  increase  the  water  wettability  of  the  rock,  and  lead  to  in‐situ  generation  of  surfactants  by  saponification  of  acid  compounds  [4].  However, during many low salinity flooding tests low acid numbers and little pH variation  were observed [19]. 

A  more  recently  proposed  mechanism  for  low  salinity  flooding  is  multi‐component  ion  exchange between charged clay particles and the injected brine [19, 20]. In the generally  accepted picture the pore space of the reservoir rock was originally filled with water and  the pore walls were mostly hydrophilic (i.e. water wet). Upon oil migration from a source  rock  the  smallest  pores  remained  water‐filled,  however,  in  the  largest  part  of  the  pore  space  the  water  was  displaced  by  oil.  The  pore  walls  became  more  hydrophobic  (i.e.  oil  wet)  due  to  adsorption  of  oil  compounds  to  the  rock  surface  over  time.  As  mentioned  before, the pore walls mainly consist of charged clay minerals and silicon. Organic matter  and  clay  minerals  can  interact  via  different  mechanisms,  of  which  some  can  be  strongly  affected by cation exchange (Figure 4). Multivalent cations, such as Mg2+ and Ca2+, can act  as  bridges  between  the  negatively  charged  clay  surface  and  negatively  charged  compounds  in  the  oil  phase,  either  via  direct  bond  formation  (ligand  bonding)  or  weak  adsorption  (cation  bridging  or  water  bridging,  in  the  case  of  solvated  cations).  Another  option  is  direct  adsorption  of  organic  polar  compounds  onto  clay  minerals  by  displacing  mobile  cations  (cation  exchange).  During  low  salinity  flooding,  cations  are  thought  to  transfer between the clay minerals and the brine, thereby facilitating removal of organic  compounds  and  organometallic  complexes  from  the  rock  surface.  Expansion  of  the  electric double layer due to the low salt concentration enhances the desorption of polar  compounds.  The  change  in  wettability  to  a  less  oil  wet  surface  would  then  yield  an  increased recovery [19, 20]. 

A  pore‐scale  model  of  the  low  salinity  water  flooding  has  been  proposed  to  show  the  consequences of these wettability changes. The calculations predict the magnitude of the  effect semi‐quantitatively: a modest reduction in the oil contact angle of about 10 in the  oil  wet  pores  can  easily  lead  to  a  significant  incremental  oil  recovery  of  up  to  60%  [20].  Experimental  verification  of  the  exact  physical‐chemical  mechanisms  of  wettability  alteration is yet to be obtained. As a first step, the stability of Langmuir‐Blodgett layers of  stearic  acid  on  silica  surfaces  is  shown  to  be  strongly  enhanced  by  the  presence  of  Ca2+  ions [21]. 

(21)

1.2 Thesis outline  7   

   

 

Figure  4  Interaction  mechanisms  between  organic  matter  and  clay  minerals  that  can  be  affected by cation exchange. Figure adapted from Seccombe et al. [17]. 

1.2 Thesis outline 

In  this  thesis  we  investigate  various  aspects  related  to  the  mobilization  and  subsequent  removal of liquids interacting with solid walls, on the level of single drops. Oil drops in the  rock  pore  space  are  in  contact  with  chemically  heterogeneous  and  rough  surfaces,  resulting in a range of possible local minimum energy configurations separated by energy  barriers.  Drops  can  change  their  shape  in  a  characteristic  and  typically  abrupt  manner  upon  variations  in  the  drop  volume  or  surface  wettability  to  adopt  a  morphology  with  lower  energy.  We  review  the  topic  of  these  so‐called  morphological  transitions  in  the  theoretical  background  in  Chapter  2.  Although  the  wettability  variations  in  low  salinity  water  flooding  are  supposedly  caused  by  the  desorption  of  organic  compounds,  we  rely  on  electrically  induced  variations  in  the  contact  angle.  Chapter  2  concludes  with  a  discussion  on  electrowetting  as  a  method  to  tune  the  wettability  of  substrates  continuously and reversibly on very short time scales. 

Our experimental investigation starts in Chapter 3 with the effect of adsorption processes.  The  primary  effect  triggering  enhanced  oil  recovery  in  low  salinity  water  flooding  is  believed  to  be  the  alteration  of  the  contact  angle,  as  a  consequence  of  underlying  molecular  processes  such  as  adsorption,  desorption,  and  assembly  of  surface  active  molecules (such as asphaltenes and naphthenates). Besides adsorption onto the rock and  clay  surfaces,  also  the  adsorption  onto  the  oil‐water  interface  influences  the  contact 

O-C

Ca

Mg

2+

O

O

Ca²⁺

-C

O

O

O

O-C

O

O - H

H ⁺

O-water bridging caon bridging

ligand bonding caon exchange clay oil

R

R

R

O-N⁺

R

R₁

R₂

R₃

(22)

angle. Also, the formation of solid layers with a surface viscoelasticity on these interfaces  might  influence  the  release  of  drops  in  complex  natural  systems.  We  study  a  simplified  model  system  consisting  of  a  linear  alkane  as  the  oil  phase,  containing  the  interfacially  active compound stearic acid, in contact with an aqueous phase. We identify the effect of  the  composition  of  the  aqueous  (water  flooding)  phase,  i.e.  the  pH,  and  the  type  and  concentration  of  the  ions,  on  the  formation  and  composition  of  three‐dimensional  structures of metal stearates on the oil‐water interface. 

Chapter  4  discusses the development  of a method to monitor the adsorption of surface 

active  species  to  an  oil‐water  interface.  A  drop  of  aqueous  solution  containing  a  simple  surfactant  is  subjected  to  electrowetting  in  an  open  chip  geometry.  Analyzing  the  variation  of  the  contact  angle  during  consecutive  amplitude  modulations  of  the  voltage  yields the interfacial tension as function of drop age. We discuss the time resolution of our  technique  and  the  advantages  compared  to  conventional  techniques  in  terms  of  measured output and sample requirements. 

In Chapter 5 and Chapter 6 we focus our attention to morphological transitions induced  by wettability variations. The resulting variations in drop‐substrate adhesion and exposure  of  the  drop  to  external  forces  facilitate  subsequent  removal.  We  study  morphological  transition  in  two  simplified  systems,  and  use  chemically  uniform  substrates  without  adsorbed  compounds;  changes  in  the  effective  wettability  are  obtained  via  electrowetting. In Chapter 5, a drop confined in between a sphere and a plate is studied.  The morphology and radial position of a drop at equilibrium are dependent on the contact  angle, drop volume, and sphere‐plate separation. Analysis of the energy landscape shows  the occurrence of a symmetry breaking that takes place in the absence of energy barriers  and should thus be continuous. To explain the yet observed hysteresis in the shape and  position of the drop during the experiments, we numerically study the effect of pinning.  We show that small pinning forces can drastically affect the drop behavior, and delay or  even preclude the outward movement.  A discontinuous transition (without pinning) is observed for a drop on a fiber: the different  morphology classes are the so‐called ‘barrel’ engulfing the fiber and the ‘clamshell’ sitting  on  the  side  of  the  fiber.  The  latter  can  be  more  easily  detached  (and  subsequently  removed)  by  external  forces.  In  absence  of  gravity,  the  equilibrium  shape  is  determined  only by the contact angle and the drop volume, and a large regime can be found in which  both  shapes  are  metastable.  In  Chapter  6  we  specifically  investigate  the  effect  of  buoyancy on the instability lines, introducing an additional length scale (i.e. the capillary 

(23)

1.2 Thesis outline  9        length) into the problem. We also show the existence of an additional stability limit for the  clamshell, introducing (partial) detachment of liquid from the fiber. This ‘release’ cannot  be observed without external driving force (like buoyancy or flow).  In Chapter 7 we subsequently consider the balance between retaining and driving forces  during  drop  trapping  and  release.  Drops  that  are  trapped  in  the  rock  pore  space  are  modeled  by  drops  confined  between  the  top  and  bottom  walls  of  a  simple  microfluidic  channel. We again make use of electrowetting, now to create a local ‘wetting defect’ with  tunable  strength.  Drops  that  are  trapped  by  the  defect,  can  be  released  again  by  increasing the hydrodynamic driving force. In such a confined environment, the pressure  difference over the drop has a larger contribution than the viscous shear stresses in the  surrounding  fluid.  We  set  up  a  simple  model  that  predicts  whether  drops  are  released  from  the  pinning  site.  In  addition,  our  approach  of  incorporating  electrodes  in  microchannel  walls  offers  interesting  opportunities  in  continuous‐flow  microfluidics,  combining a high throughput with individual drop control. 

Finally,  we  present  our  overall  conclusions  and  outlook  in  Chapter  8.  We  discuss  the  implications for the forces required for drop removal in (enhanced) oil recovery. 

(24)

References 

[1]  W.  Xu,  S.C.  Ayrala  and  D.N.  Rao,  Measurement  of  surfactant‐induced  interfacial 

interactions at reservoir conditions, SPE Reserv. Eval. Eng. 11 (2008), 83‐94. 

[2]  S.  Maudgalya,  R.M.  Knapp  and  M.J.  Mcinerney,  Microbially  enhanced  oil  recovery 

technologies: a review of the past, present and future, SPE Production and Operations 

Symposium, Oklahoma City (2007), SPE 106978. 

[3]  F.I. Stalkup, Status of miscible displacement, J. Pet. Technol. 35 (1983), 815‐826.  [4]  P.L. Mcguire, J.R. Chatham, F.K. Paskvan, D.M. Sommer and F.H. Carini, Low salinity oil 

recovery:  An  exciting  new  EOR  opportunity  for  Alaska’s  North  Slope,  SPE  Western 

Regional Meeting, Irvine (2005), SPE 93902. 

[5]  M.  Hilpert,  Capillarity‐induced  resonance  of  blobs  in  porous  media:  Analytical 

solutions, Lattice‐Boltzmann modeling, and blob mobilization, J. Colloid Interface Sci. 

309 (2007), 493‐504. 

[6]  C.  Huh,  Improved  oil  recovery  by  seismic  vibration:  A  preliminary  assessment  of 

possible  mechanisms,  First  International  Oil  Conference  and  Exhibition  in  Mexico, 

Cancun (2006), SPE 103870. 

[7]  C. Norman, B. Turner, J.L. Romero, G. Centeno and E. Muruaga, A review of over 100 

polymer  gel  injection  well  conformance  treatments  in  Argentina  and  Venezuela:  Design,  field  implementation  and  evaluation,  First  International  Oil  Conference  and 

Exhibition in Mexico, Cancun (2006), SPE 101781. 

[8]  H.  Frampton,  J.C.  Morgan,  S.K.  Cheung,  L.  Munson,  K.T.  Chang  and  D.  Williams, 

Development of a novel waterflood conformance control system, SPE/DOE Fourteenth 

Symposium on Improved Oil Recovery, Tulsa (2004), SPE 89391. 

[9]  D.A. Ivanov and M. Araujo, Dynamics of two‐phase immiscible pulsed flow, SPE/DOE  Symposium on Improved Oil, Tulsa (2006), SPE 99678. 

[10] B.W. Mcdaniel, Review of current fracture stimulation techniques for best economics 

in  multilayer,  lower‐permeability  reservoirs,  SPE  Eastern  Regional  Meeting, 

Morgantown (2005), SPE 98025. 

[11] K. Dalby, personal communication (2014). 

[12] P.P.  Jadhunandan  and  N.R.  Morrow,  Spontaneous  imbibition  of  water  by  crude‐

oil/brine/rock systems, In Situ 15 (1991), 319‐345. 

[13] P.P.  Jadhunandan  and  N.R. Morrow,  Effect  of  wettability  on  waterflood  recovery  for 

crude‐oil/brine/rock systems, SPE Reserv. Eng. 10 (1995), 40‐46. 

[14] H.O. Yildiz and N.R. Morrow, Effect of brine composition on recovery of Moutray crude 

(25)

References  11   

   

[15] G.Q.  Tang  and  N.R.  Morrow,  Influence  of  brine  composition  and  fines  migration  on 

crude oil/brine/rock interactions and oil recovery, J. Pet. Sci. Eng. 24 (1999), 99‐111. 

[16] K.J.  Webb,  C.J.J.  Black  and  H.  Al‐Ajeel,  Low  salinity  oil  recovery  ‐  log‐inject‐log,  SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium, Tulsa (2004). 

[17] J.C.  Seccombe,  A.  Lager,  K.J.  Webb,  G.R.  Jerauld  and  E.  Fueg,  Improving  waterflood 

recovery:  LoSal  EOR  field  evaluation,  SPE/DOE  Improved  Oil  Recovery  Symposium, 

Tulsa (2008). 

[18] J.C. Seccombe, A. Lager, G.R. Jerauld, B. Jhaveri, T. Buikema, S. Bassler, J. Denis, K.J.  Webb, A.  Cocking  and E.  Fueg, Demonstration  of  low‐salinity EOR at  interwell  scale, 

Endicott Field, Alaska, SPE Improved Oil Recovery Symposium, Tulsa (2010). 

[19] A.  Lager,  K.J.  Webb  and  C.J.J.  Black,  Low  salinity  oil  recovery  ‐  An  experimental 

investigation, Society of Core Analysts Meeting, Trondheim (2006). 

[20] K.S.  Sorbie  and  I.R.  Collins,  A  proposed  pore‐scale  mechanism  for  how  low  salinity 

waterflooding  works,  SPE  Improved  Oil  Recovery  Symposium,  Tulsa  (2010),  SPE 

129833. 

[21] N.  Kumar,  L.  Wang,  I.  Siretanu,  M.  Duits  and  F.  Mugele,  Salt  dependent  stability  of 

stearic  acid  Langmuir‐Blodgett  films  exposed  to  aqueous  electrolytes,  Langmuir  29 

(2013), 5150‐5159.   

(26)
(27)

Chapter 2

 

Scientific background 

Crude oil that is present in a reservoir rock interacts with pore walls with a large degree of  complexity;  rock  grains  have  variable  shapes  with  irregular  surfaces,  and  the  variety  in  absorbed clay minerals and polar compounds causes microscopic chemical and structural  heterogeneity. In this chapter, we discuss the interaction of liquid drops with surfaces that  are structured on very different length scales; the structure is either much smaller than or  comparable  to  the  drop  size.  These  structured  surfaces  are  particularly  interesting  because they allow for different drop shapes dependent on the surface wettability or the  liquid volume. A decreased drop adhesion and increased exposure to external forces (due  to release from confinement) might facilitate subsequent drop removal. 

We start with a concise overview of the basic concepts of capillarity and wetting that are  encountered throughout this thesis, and the wetting of microscopically textured surfaces.  An  extensive  discussion  of  these  two  topics  can  be  found  in  the  book  ‘Capillarity  and  Wetting  Phenomena’  by  de  Gennes,  Brochard‐Wyart,  and  Quéré  [1],  and  recent  review  papers  by  Quéré  [2,  3]  and  Bonn  et  al.  [4].  Morphological  transitions  on  surfaces  structured  on  the  scale  of  the  drop  size  are  subsequently  covered;  we  start  with  a  discussion of general considerations, and continue with some examples of morphological  transitions as described in recent literature. In this thesis, we rely on electrically induced  variations  in  the  contact  angle  to  study  the  effect  of  wettability  alterations.  Hence,  we 

(28)

 

2.1 Basic concepts of capillarity and wetting 

2.1.1 Surface tension 

Small  liquid  volumes  tend  to  assume  a  perfectly  spherical  shape,  and  surface  tension  opposes  the  distortion  of  the  surface  by  other  forces.  The  physical  origin  of  surface  tension is shown in Figure 1A. A molecule that is segregated to the surface loses half its  cohesive interactions with the bulk liquid and is thus in an energetically unfavorable state.  As  creation  of  new  surface  is  energetically  costly  fluid  systems  tend  to  minimize  their  surface area. The surface tension is of order  ≅ / 2 , with   the cohesion energy per  molecule and   the area of the molecule, and is thus dependent on the type of cohesive  force.  Oils  have  a  relative  low  surface  tension  of    20  mJ/m2  due  to  van  der  Waals  interactions, while water has a surface tension of   72 mJ/m2 due to hydrogen bonding.  An  interface  between  two  immiscible  liquids  is  similarly  characterized  by  an  interfacial  tension,  which  originates  from  different  attractive  intermolecular  interactions  in  the  liquids. Surface tension can also be expressed as a force per unit length (mN/m), where  the line tension acts in all directions parallel to the surface. 

2.1.2 Surfactants 

The  interfacial  tension  of  a  liquid  in  contact  with  air,  a  second  liquid  or  a  solid  can  be  reduced  by  the  use  of  so‐called  surfactants,  i.e.,  surface  active  agents.  Surfactants  are  amphiphilic organic molecules, consisting of a hydrophobic and a hydrophilic group. The  hydrophobic  group  of  dissolved  surfactants  distorts  hydrogen  bonding  between  water  molecules,  thereby  restricting  their  mobility;  the  driving  force  for  adsorption  to  the  interface is thus an increase of entropy of the solvent molecules. After creation of a fresh  interface the interfacial tension gradually decreases from the value of the ‘bare’ interface  to the equilibrium interfacial tension. The overall process involves various stages, such as  diffusion of the surfactant molecules from the bulk to the interface, and adsorption and  re‐orientation at the interface. Figure 1B shows the example of stearic acid, which has a  hydrophilic  acid  group  that  can  dissociate  depending  on  the  pH  of  the  solution,  and  a  hydrophobic  hydrocarbon  tail.  Stearic  acid  is  used  in  Chapter  3  as  a  simple  model  compound for the variety of surfactants naturally present in oil reservoirs. 

2.1.3 Laplace pressure 

The interfacial tension causes a pressure difference between the interior and exterior of a  curved interface. In Figure 2 we consider a small section of a liquid interface with principal

(29)

2.1 Basic concepts of capillarity and wetting  15      Figure 1 Interfacial tension of a liquid‐vapor interface. (A) Liquid molecules and their cohesive  interactions in the bulk and at the interface. (B) Stearic acid (CH3(CH2)16CO2H) is an example of  a surfactant that reduces interfacial tension.   

Figure  2  Determination  of  the  Laplace  pressure  by  dilating  a  liquid  interface  at  constant 

pressure. Figure adapted from Bruus [6]. 

radii of curvature   and  , which  is displaced by an amount   in the direction normal  to the interface, at constant pressure. The work done by the capillary force and pressure is 

∆ ,  where  the  increase  in  interfacial  area  is  ≅ 1/ 1/ ,  and  the  increase  in  volume  is  ≅ .  The  condition  for  mechanical equilibrium   0 yields an expression for the Laplace pressure difference 

∆ 1/ 1/ 2 ,  with    the  mean  curvature  of  the 

interface.  For  spherical  drops  of  radius    this  reduces  to  Δ 2 / .  The  Laplace  pressure  hence  increases  for  decreasing  drop  size,  and  is  typically  comparable  to  atmospheric pressure for micron‐sized drops.  liquid vapor

O

OH

A B

hydrophilic head group

hydrophobic tail dz dy+d dy z R/ 2 dx+d dx z R/ 1 dx dy R2+dz R2 R1+dz R1

(30)

 

 

Figure  3  Examples  of  Delaunay  surfaces.  (A)  Unduloid  , ,  (B)  nodoid  , ,  (C)  sphere 

0, , (D) catenoid  , ∞ , and (E) cylinder  , . Figure adapted from Baret  [7]. 

2.1.4 Constant mean curvature surfaces 

In  the  absence  of  external  forces,  the  constant  pressure  throughout  the  drop  implies  a  constant  mean  curvature  of  the  interface,  which  is  a  spherical  shape  for  a  free  liquid  volume.  For  the  more  general  case  of  axisymmetric  liquid  volumes  with  boundary  conditions,  Delaunay  [8]  proved  that  constant  mean  curvature  surfaces  are  obtained  by  rotating  the  roulettes  of  conics  (i.e.,  parabolic,  elliptic,  and  hyperbolic  catenaries).  The  thus obtained surfaces of revolution are catenoids, unduloids, and nodoids, in addition to  the elementary cases of spheres and cylinders, and can be parameterized by the minimal  radius    and  the  maximal  radius    (Figure  3).  Although  the  Delaunay  surfaces  are  periodic  surfaces,  only  portions  of  these  surfaces  are  physically  stable.  Unduloids  are  unstable due to the Rayleigh‐Plateau instability [9], while nodoids are unstable due to the  intersecting surface. The necessary boundary conditions are provided by contacting solid  substrates,  for  example  in  the  case  of  a  capillary  bridge  in  between  two  planes  or  two  spheres. In Chapter 5, we represent small oil volumes in rock pore spaces by the generic  geometry  of  a  drop  confined  between  a  sphere  and  a  plane.  We  discuss  the  symmetry

D E B A C r1 r2

(31)

2.1 Basic concepts of capillarity and wetting  17   

 

Figure  4  Competing  morphologies  of  drops  on  fibers.  Profile  of  a  (A)  barrel  shape  and  (B) 

clamshell shape. 

breaking  of  these  liquid  bridges  with  constant  mean  curvature  above  a  volume‐  and  separation‐dependent critical contact angle. 

The boundary conditions can also be provided by a cylindrical surface, a ‘fiber’. We first  assume that the liquid connects to the fiber surface at zero angle (Figure 4A). At the apex  of the drop, both principal radii of curvature are of the order of the drop size  , resulting  in  a  mean  curvature  1/ .  At  the  outer  edge  of  the  drop  however,  the  radius  of  curvature perpendicular to the plane of the figure becomes very small, i.e., equal to the  radius  of  the  fiber  ≪ .  This  implies  that  the  radius  of  curvature  in  the  plane  of  the  figure should become negative, and the drop profile contains an inflection point. As can  be  seen  in  Figure  4A,  the  liquid  surface  again  takes  the  shape  of  a  Delaunay  surface  (unduloid),  as  expected  for  a  cylindrically  symmetric  drop.  Upon  changing  the  angle  between  the  liquid  interface  and  the  fiber  surface,  the  so‐called  ‘barrel’  shape  [10,  11]  competes with a second constant mean curvature shape, the symmetry‐broken ‘clamshell’  morphology  (Figure  4B).  Which  of  these  morphologies  is  attained  also  depends  on  the  volume of the drop and the history of the system [12]. 

2.1.5 Capillary length 

While  the  interfacial  tension  tends  to  minimize  the  interfacial  area  of  a  drop,  deformations in the shape can be induced by external forces. One can define the capillary  length  /Δ ,  which  is  a  characteristic  length  comparing  the  effects  of  interfacial  tension  and  buoyancy.  The capillary  length  is  typically  a  few  millimeters  for  liquid‐vapor  interfaces.  For  drops  much  smaller  than ,  the  surface  force  due  to  interfacial  tension  dominates the body force from gravitational acceleration, and a mean curvature shape is  attained. In case of liquid/ liquid systems, the capillary length can be drastically increased 

via  density  matching  of  both  liquid  phases.  For  drops  larger  than  ,  buoyancy  effects 

should  be  taken  into  account.  In  Chapter  6  we  investigate  the  influence  of  buoyancy 

A B

(32)

 

 

Figure 5 Determination of the Young angle via (A) energy or (B) force considerations. 

forces  on  the  morphological  transitions  of  drops  on  fibers  (Figure  4).  Varying  the  mass  density of the ambient phase allows for tuning of the capillary length in a broad range. 

2.1.6 Young angle 

When a liquid volume is placed on a chemically and topographically homogeneous planar  surface,  it  either  spreads  completely  or  forms  a  liquid  lens.  In  the  latter  case,  the  three  phases that need to be considered – i.e., the solid phase ( ), the liquid phase ( ), and the  vapor (or a second, immiscible liquid) phase ( ) – coexist at the three phase contact line,  where the liquid‐vapor interface makes an angle   with the surface. This Young angle can  be  derived  by  calculating  the  variation  of  the  interfacial  energy  associated  with  a  small  reversible  change  in  contact  line  position    (Figure  5A).  The  variation  is  given  by  cos ,  with  ,  ,  and    the  solid‐vapor,  solid‐liquid,  and  liquid‐vapor  interfacial  tension,  respectively.  In  thermodynamic  equilibrium  the  energy  change  is  zero,  which  results  in  the  Young  relation  cos / .  The  contact  angle  is  thus  determined  by  the  chemical  nature  of  the  three  phases.  Alternatively,  the  Young  angle  can  be  derived  from  a  balance  between  the  equilibrium  forces,  i.e.,  the  interfacial tensions, in the horizontal direction at the three phase contact line (Figure 5B).  The  vertical  components  are  responsible  for  deformations  of  liquid  and  soft  solid  substrates. 

These  global  energy  arguments  yield  the  macroscopic  contact  angle.  In  the  immediate  vicinity of the three phase contact line, the slope of the liquid‐vapor interface can deviate  from  the  one  described  by  the  Young  relation.  At  distances  up  to  typically  a  few  nanometers from the solid substrate, the local contact angle is affected by the disjoining  pressure.  Even  closer  to  the  surface,  on  a  molecular  scale,  the  interface  position  is  no 

A vapor co s d θY x liquid solid dx B θY θY γ γsv γsl

(33)

2.1 Basic concepts of capillarity and wetting  19   

longer  uniquely  determined  due  to  thermal  fluctuations  and  interface  diffusiveness.  However, in this thesis, we are only interested in the macroscopic contact angle. 

2.1.7 Spreading parameter 

Depending  on  the  values  of  the  interfacial  tensions  two  wetting  regimes  can  be  distinguished that can be characterized by the spreading parameter  ,  which  compares  the  difference  in  interfacial  energies  of  the  dry  and  wet  substrate.  For  0, the energy of the system is minimized by complete wetting; the solid substrate is  covered  by  a  nanoscopic  uniform  liquid  layer,  of  which  the  thickness  is  set  by  a  competition between capillary forces and long range intermolecular forces (van der Waals  interactions). Complete wetting is promoted by high‐energy surfaces with large chemical  binding  energies,  for  low  interfacial  tension  liquids  such  as  light  alkanes  and  silicon  oils,  and by the use of surfactants. For   0, the energy of the system is minimized by a drop  with  a  finite  contact  angle  satisfying  the  Young  relation.  The  partial  wetting  regime  is  shown on low‐energy surfaces, and can be divided in ‘preferentially wetting’ for contact  angles smaller than  /2 (also called hydrophilic in case of water drops) and ‘preferentially  non‐wetting’  for  contact  angles  larger  than  /2  (hydrophobic).  An  interesting  limit  is  found for  2 , for which the drop is in a complete non‐wetting situation. Complete  non‐wetting  is  highly  desired  for  easy  drop  removal,  and  can  be  achieved  in  oil‐water  systems via complete wetting of the ambient phase.  2.1.8 Contact angle hysteresis  The derivation of the Young angle in Section 2.1.6 is based on the assumption of an ‘ideal’  surface, i.e., a planar substrate that is both chemically and topographically homogeneous.  However, real surfaces are non‐ideal due to small chemical (i.e., wettability) and physical  defects. Due to these nanometric to micrometric heterogeneities, the contact angle is not  uniquely  defined.  An  example  of  such  a  defect  is  a  sharp  edge  (Figure  6A),  where  the  apparent angle between the liquid‐vapor interface and the horizontal increases from   to  ,  before  the  contact  line  proceeds.  The  dissipation  upon  depinning  of  the  contact line is the fundamental mechanism of contact angle hysteresis. 

Pinning  of  the  contact  line  by  small  heterogeneities  introduces  an  additional  horizontal  force that opposes the motion of the contact line (Figure 6B). As a result the contact line  only  advances  (recedes)  as  soon  as  the  advancing  (receding)  contact  angle    ( )  is  reached.  The  contact  angle  hysteresis  is  defined  as  the  difference  between  these two angles, and the threshold force required to move a drop on such a surface is

(34)

 

 

Figure 6 (A) On a sharp edge the apparent contact angle can assume any value between   and 

. (B) Due to contact line pinning, the apparent contact angle can assume any value  between the receding and the advancing contact angle. 

proportional  to  ∆ cos cos cos .  ‘Good’,  i.e.,  clean  and  microscopically  flat,  substrates have a contact angle hysteresis smaller than 5. The hysteresis of rough or dirty  substrates,  such  as  rock  surfaces,  is  typically  several  tens  of  degrees,  and  can  even  become comparable to the advancing angle. 

2.2 Wetting of microscopically textured surfaces 

We now first consider the interaction of liquids with surfaces that are textured on scales  much smaller than the drop size. The surface properties are dependent on roughness and  wettability  variations,  i.e.,  on  the  spatial  variations  in  the  geometry  and  the  chemical  properties. The presence of these defects not only results in contact angle hysteresis, but  also affects the apparent contact angle and can induce different drop regimes. 

2.2.1 Wenzel and Cassie‐Baxter models 

The  apparent  contact  angle  ∗  reflects  the  average  properties  of  the  substrate  in  the  proximity  of  the  contact  line.  For  both  topographically  heterogeneous  (structured)  and  chemically  heterogeneous  (patterned)  surfaces,  we  are  interested  in  ∗  as  a  function  of  the  Young  angle  and  the  other  parameters  characterizing  the  substrate.  A  small  displacement    of  the  contact  line  parallel  to  the  surface  yields  a  change  in  surface  energy. This variation is set to zero to find the equilibrium apparent contact angle. 

A structured surface is characterized by its roughness factor   1, where   is the ratio of  the  actual  surface  area  over  the  apparent  one  (Figure  7A).  When  the  liquid  follows  all  topological  variations  of  the  material,  we  find  the  Wenzel  relation  cos ∗ cos .  Surface  roughness  hence  always  ‘magnifies’  the  underlying  wetting  properties.  A

Fp A B θ θ ψ π ψ θ- + γ γsv γsl θ θ θr< < a

(35)

2.2 Wetting of microscopically textured surfaces  21   

 

Figure 7 Edge of a drop placed on a (A) rough surface, yielding the Wenzel relation, and on a 

(B) chemically heterogeneous surface, yielding the Cassie‐Baxter relation. 

patterned  surface  consisting  of  two  species  with  different  wettability  (Figure  7B)  is  characterized  by  the  fractional  surface  areas  of  both  species    1  and  their  respective  contact  angles    and  .  The  apparent  contact  angle  is  then  given  by  the  Cassie‐Baxter  relation  cos ∗ cos cos ,  i.e.,  it  is  obtained  from  a  weighted  average of the cosines of the angles of both species. 

2.2.2 Superhydrophilic and superhydrophobic surfaces 

The Wenzel relation predicts a critical roughness factor  1/|cos | at which complete  wetting  or  complete  drying  is  attained.  However,  the  Wenzel  model  is  only  valid  for  moderate roughness factors, and hence these regimes cannot be induced by structuring  of a surface. In the case of a very rough hydrophilic surface, part of the liquid will fill the  microstructure. Drops spreading onto this impregnated state thus encounter a composite  substrate  with  a  solid  and  a  liquid  fraction  (Figure  8A).  For  very  rough  hydrophobic  surfaces,  the  liquid  does  not  conform  to  the  asperities  of  the  substrate.  Instead,  air  can  remain trapped inside the structure, such that the drop sits on a composite substrate with  a solid and a vapor fraction (Figure 8B). Drops deposited on either of these surfaces will  thus  have  an  apparent  contact  angle  according  to  the  Cassie‐Baxter  relation.  Although  liquid  impregnation  and  air  entrapment  enhance  hydrophilicity  and  hydrophobicity,  respectively,  the  drop  always  partially  contacts  the  solid  substrate  and  is  hence  in  the  partial  wetting  regime.  On  superhydrophobic  surfaces,  the  contact  area  with  air  can  be  increased by using a low solid fraction   0.1, resulting in an extremely low hysteresis  and thus a large drop mobility.  A B vapor liquid solid dx co s d θY x co s d θY x dx θ* θ* θ1 θ2

(36)

 

 

Figure  8  Wenzel  and  Cassie‐Baxter  regimes.  In  case  of  (A)  superhydrophilic  and  (B) 

superhydrophobic  surfaces,  the  liquid  spreads  on  a  composite  surface.  (C)  Apparent  contact  angle as function of the Young angle for a pillared substrate with   0.25 and   4. The solid  lines are based on the energy minimum, while the dotted line indicates the metastable Cassie‐ Baxter regime.  2.2.3 Coexisting states  The energies of drops that are satisfying either the Wenzel or the Cassie‐Baxter relation  can be compared to find the critical contact angle cos 1 /  separating  both regimes. Figure 8C summarizes the results for a simple structured surface with well‐ defined  pillars  and  without  chemical  heterogeneity.  For  hydrophilic  surfaces,  a  large  roughness  implies  a  large    and  thus  promotes  liquid  impregnation.  For  hydrophobic  surfaces, a large roughness implies a small   and thus promotes air entrapment. 

The  description  of  the  superhydrophobic  state  is  complemented  by  the  necessary  condition to satisfy the Young relation at all contact lines, i.e., at the edge of the drop and  for each liquid‐vapor interface below the drop. The pinning of the contact line on sharp  edges  (Figure  6A)  introduces  an  energy  barrier  ≫ ,  and  a  metastable  Cassie‐Baxter  regime  for  contact  angles  smaller  than  . Under  these  conditions, careful  deposition of  liquid results in a Cassie‐Baxter drop, while vapor condensation yields a Wenzel drop with  significantly  smaller  contact  angle  and  larger  contact  angle  hysteresis.  This  metastable  Cassie‐Baxter state is fragile; a transition to the lower energy Wenzel state can be easily  induced by increasing the pressure. Impalement occurs either via depinning of the contact  lines as soon as the angle of the liquid‐vapor interfaces with respect to the vertical wall  exceeds the Young angle, or via nucleation of solid‐liquid contact on the bare substrate.  B dx A vapor liquid solid dx We nze l re gim e C-B regime: liquid impregnaon C-B regime: air entrapment C θ* θ*

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

De eerste proef met bollen en huiden van ‘Erna Lindgreen’ en ‘Strong Gold” bevestigde dat bruine wortels alleen ontstaan in aanwezigheid van fenolen uit de huid en dat die

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of

From the research of Cooper (1999) the companies which were considered the better performers in terms of portfolio management and innovation performance are not solely focused on

3.1 Temperature The bio-char percentage yield is shown in figure 1 Figure 2 shows the effect of temperature on the biochar yield for both feedstocks with nitrogen as atmosphere...

Students can have different strategies in dealing with advanced mathematical thinking of deduction and formal definitions (Tall et al., 2001). Some give meaning

Firstly, to investigate a polymer synthesizing clone isolated from a soil-derived metagenomic library and secondly, to construct a genomic library from a selected environmental

Business process management (BPM) is a philosophical approach to organisation-wide management in which the focus is on the processes through which it operates, and in par-